论工程地质模型——涵义、意义、建模与应用

  1 模型的内涵与意义

 

  模型一词由来已久,应用最为广泛的要算规划模型(城市或工程) ; 随着实践扩展,逐步引入到介质模型、机制模型、演化模型、计算模型等。在数学领域形成了一个独立研究领域- “模型论” ,它是数理逻辑主要分支之一; 其研究成果已引用到集合论、代数与数论等之中。今天,模型或模式一词已广泛应用于社会生活的各个领域。

 

  综合所有应用,可概括地为模型下一定义; 即所谓模型,就是根据实物、设计图或构想,按比例(有的不一定按比例)、生态或主要特征(或者说要素)作成相似的物体或图示;用以展现、揭示或阐明一类事物和问题。

 

  在工程地质学科中,模型称呼不一,有的称地质模型,有的叫工程地质模型。综合来看,以称工程地质模型为宜; 它较确切地反映其应用范畴和内涵。顾名思义,所谓工程地质模型,就是依据工程性状,将重要的工程地质条件,亦可称要素,按实际状态,简明醒目地用图形表示出来; 简言之。即工程与地质条件相互依存关系的图示。这种地质与工程结合形式— 模型,它较好地解决了地质与工程的脱节,便于设计人员充分认识与真正应用好工程地质工作成果; 它深化了工程地质条件的研究,要抓住影响工程岩体变形或破坏的关键条件;与此同时,还促进地质与工程结合后的岩体变形规律、效应与法则的理性化; 在理论与实用的二方面均会得到实质性的进展。由此可见,工程地质模型的正名与强化,其意义是深远的。可以预计,随着工程地质模型的全方位研究,必将产生新的认识。

 

  2 建模依据与方法

 

  2. 1 建模的依据

 

  首先应明确,工程地质模型是人们对观事物认识的精炼和图示化。建模最基本的依据是观点、理论基础。这里推崇岩体工程地质力学,其核心观点就是岩体(实际上亦包括土体)具内在结构;岩体结构基本控制岩体物理力学性能、岩体变形破坏和岩体稳定性;在岩体结构中,结构面起着主导作用,软弱岩层(软岩)起着起始变形与突破口的作用。结构面类型较多,性状复杂。不仅有软硬之分,还有大小之分和分布上的随机性。归纳多年研究成果,在结构面对工程岩体影响和作用中,大体可归纳三个重要的效应:

 

  ( 1)结构面工程尺寸效应: 即结构面尺寸与工程尺寸的相关性问题,其中潜在着匹配与取舍。

 

  ( 2)结构面与工程的依存效应: 结构面与工程就有一个依存关系。随着依存关系的不同,结构面对工程岩体影响是不同的。

 

  3)多组结构面的组合效应: 岩体中有单组结构面发育,很多情况是多组结构面存在。

 

  这就产生多组结构面对工程岩体的共同影响,即组合效应问题。

 

  上述三种效应应成为建模的重要依据。

 

  2. 2 建模的要素

 

  从某种意义上来说,条件研究最终就是为建立工程地质模型。工程地质条件多种多样,经多年实践与研究,建模要素有二类: 一类是工程岩体的基本性态要素,即工程地质岩组、岩体结构类型(包括结构面性状) ; 一类是工程岩体的环境要素,即地下水、地应力。四要素的特点、个性构成了天然岩体。

 

  关于工程地质岩组(简称岩组) ,它是岩体的物质基础。岩组性状千变万化,其中松散破碎岩组对工程岩体的工程力学行为影响巨大。为此,最简便的办法就是将岩组划分出坚硬与软弱二类岩体,以便区别对待。

 

  关于岩体结构类型(尤其结构面) ,它是工程岩体的重要的结构基础。岩体结构类型在客观上认识工程岩体的总体性状; 而重点要研究结构面的性状。正如上所述,应从力学性能(刚强、软弱)、尺寸和组合几方面进行定性定量研究。

 

  关于地下水,它在水理、力学作用二方面影响着工程岩体的稳定性。前者即为当前研究热点,即水岩相互作用;后者主要指水压或渗透压力。

 

  关于地应力,它对工程岩体的作用愈来愈被重视。工程类型不同,它的作用,或者说地位是不等的。地应力有一个明显特点,即区域性。关于地应力的相关参数,应尽量得到地学的解释。

 

  2. 3 建模的方法

 

  鉴于地质情况与工程类型的千变万化,因而它们的组合是千差万别的,也不可机械地将地质与工程组合,那就成了工程地质剖面图了,显然是不合适的。因而工程地质模型的建立必须有一套方法,其中,既有科学简化,又有实际操作。

 

  ( 1)关于科学简化,主要是工程地质条件的抽象和概括; 既不失真,又不拘泥一点一滴; 要从本质上或机制上去把握要素的地位与作用。

 

  譬如岩组,按强度和变形特性,一个具体的工程最关心是有无足够的承载或支撑能力,有无足够的抵抗变形的能力; 由此可把岩组划分二大类,即坚强或坚硬岩类; 软弱岩类。只要在模型中,如实反映即可。又如结构面,它有各种类型,为简便起见。易划分二大类,即硬性结构面和软弱结构面。尤其按照结构面工程尺寸效应。把那些规模较小、对工程岩体不太起作用的,可忽略不计。这样,所建立的模型不仅简洁明嘹,而且抓住了关键。

 

  ( 2)关于具体操作方法,一般工程地质模型以剖面形式为最常见与普遍,而且就基本满足人们对工程地质条件与工程关系的认识和了解。如果人们要从总体上把握条件与工程的关系,亦可作三维立体模型。具体操作方法如下:

 

  ①首先要做出一张带工程轮廓线的剖面图,并标出原始地形线和开挖线;②其次画出岩组,按硬性岩组和软弱岩组、产状,准确地在剖面图上画出来,对软弱岩组有特别标志;这样,就能清楚地看到软、硬岩的分布;③尔后,将结构面,尤其是软弱结构面(同样用特殊图例)、按产状如实地画在图上,常常遇到的一组软弱结构面的分布。在出露的区段内,按比例间距(统计规律)将它们画出,这时更关注“神似” ,不拘泥形似,而且也形似不了。如果几组结构面的组合对岩体起到重要作用,那就把组合交线画在图上,但一定用特有图例,以示区别与识别。总之,在具体操作中,会遇见一些意想不到的现象;只要用心,总会可以解决的。

 

  ④关于地下水和地应力的表示,最佳方式是作出随深度的渗透压力(水压)和地应力值的变化曲线。如果参数值不太明朗,就大体给出一个数量级的数值。那就在相关说明中加以解释。尤其是地下水,如在地下水不太富地区,只考虑水对岩体的软化,那就将水的作用放到岩体有关力学参数中加以考虑。

 

  ⑤附一张岩体物理力学参数表。

 

  一旦建模后,为使设计人员对模型的深切理解,工程地质人员有必要作启示性与实质性的说明。在说明中应包括:

 

  a.突出岩体中软弱岩组和软弱结构面的性状、地位与作用;b.阐明软弱结构面的功能,即在岩体变形或失稳中的作用;c. 预测可能的机制和变形破坏方式;

 

  d. 预测岩体的稳定状态;

 

  e.指出岩体加固或弱化的方向等。

 

  3 实 例

 

  现以甘肃金川铜镍矿的露天矿上盘西段边坡作为实例,加以具体操作。

 

  首先展示研究段的工程地质平面与剖面图,然后对岩组和结构面进行分类与取舍。

 

  上盘区西段边坡所遇到的岩组共七个。大理岩、花岗岩、超基性岩相对较为坚强,其它均较软弱,如混合岩带等,尤其片岩类,除岩石自身较弱外,加之断裂的改造,是该段边坡最为软弱的岩组。

 

  该段边坡岩体结构面十分发育,最显著的是断裂带和层间错动面。前者与片岩重合,后者主要发育于中厚层大理岩,其次为混合岩。此外,在厚层大理岩,段,发育一条切坡向的小断层,它与一组节理密集带组合,构成了一个顺坡向的块体。

 

  因此,无论从岩组,或从主要结构面的性状,本边坡总体为一个软硬相间、层状碎裂的岩体,它基本控制了边坡的变形与破坏。

 

  在上述分析基础上,将岩组与结构面如实而巧妙地画出来。

 

  第三,矿区处于干旱与半干旱地区,地下水不丰,关于其对岩体的作用,放到岩体物理力学参数中加以考虑。矿区为高地应力地区,根据地质分析和现场量测的数据,建立地应力随深度的变化。

 

  第四,关于岩体有关力学参数,可列表以明之。

 

  第五,工程地质模型分析。

 

  露天矿上盘西段边坡为一复合的工程地质模型。F3 即片岩带以上的大理岩体中,由断层节理带构成为一组合块体。这一组合块体的组合交线,为近EW向,倾角33°(从实体比例投影和变形资料得到确认与验证) ; 以下为反坡向陡倾软硬相间的层状碎裂结构模型。

 

  在该模型的基础上,必然要产生这样的的变形破坏机制: 即上部块体滑移,下部倾倒变形;上部的滑移推动和加速了下部倾倒变形的发生与发展; 一旦下部倾倒变形发生后,倾倒体下的未发生倾倒的岩体的支撑作用,就上升为重要的因素。可以理解,如果下部岩体坚强和整体性好,它就可以阻止上部倾倒体的下延发展。

 

  通过这一实例的介绍,不难看到建立工程地质模型的学科和实用意义,还必将推动数值模拟与计算走上健康的轨道。

 

  4 应 用

 

  多年实践表明,工程地质模型这一理性概念与科学方法,可适用于各工程地质勘测阶段和各类工程。显然,随着勘测阶段和工程类型的不同,建模的要求和精细程度是不一的。

 

  并随着问题愈具体,工程地质模型应用的价值愈显示出来。工程地质模型一个最基本属性就是其针对性、实用性。

 

  4. 1 关于各勘测阶段的应用

 

  ( 1)在前期可行性研究阶段本阶段主要任务是调查工程地质条件,找出存在的工程地质问题。因而无论从总体上,还是从具体问题上,只能建立粗线条的工程地质模型。

 

  ( 2)在可行性研究阶段  可结合必须论证的问题建立工程地质模型,作出相应的工程地质评价; 还要指出下段查明的工程地质条件和问题; 通过建模,可具体感受到还有那些不足。

 

  ( 3)在初步设计阶段  这是工程兴建中的关键阶段,一切均以客观事实为准绳,从设计大局出发,针对薄弱环节,补做工程地质工作,余后,结合具体任务、工程或问题分别建立工程地质模型。可在初步建模基础上,进一步搞清楚相关条件,开展有针对性的岩体物理力学试验和量测,最终确立模型,并进行数值分析和评价,为设计、决策提供可靠依据。

 

  ( 4)在定型设计和施工阶段进一步修正模型和评价,通过施工验证模型的准确性、可靠性,最终作出结论。

 

  4. 2 关于各类工程的应用

 

  一般地质工程可划为三大类,即地基、这坡和地下洞室。工程地质模型在这里大有用武之地。

 

  当前工民建地基问题主要出现在深基坑。而深基坑问题主要集中在涌水和坑坡坍塌。

 

  根据工程地质调查,完全可以建立准确的工程地质模型。在此基础上,分析相关问题,作出评判,制定整治方案与措施。

 

  坝基主要问题是建基面的确定和稳定性、渗透性等。可作出相应模型和评价。

 

  前实例已作具体剖析,但还需强调: ( 1)关注软弱岩层与结构面和工程的依存关系,它往往控制边坡应力状态和变形演化进程; ( 2)关注边坡变形破坏的突破点,要努力从模型中寻求地质依据。

 

  软岩、软弱破碎岩带、地下水和地应力成为地下洞室围岩变形与失稳的控制要素; 由结构面组合的块体亦为围岩失稳的常见的影响因素。因此,在建模中,充分考虑上述因素是十分重要的。多年实践表明,工程地质模型在洞室围岩变形失稳中的应用更具实用性。

 

  4. 3 关于专题中的应用

 

  从某中意义上来说,前面集中探讨了工程地质模型在岩土体中稳定性中的应用。实际上,它还可扩展到区域地壳稳定性、山体稳定性等较宏观的专题。如在区域地壳稳定性中,根据模型思路,可建立地壳结构模型、地壳动力学模型等; 有了这些模型,不仅标志着工作的精度和到位,而且更主要能形象直观地阐明一系列问题。又如在山体稳定性中,可建立山体地质结构模型,同样能达到事半功倍的效果。

 

  总之,工程地质模型有着丰富的内容,限于篇幅,本文只能做到提示,抛砖引玉,期望共同推动其发展。